BMS電池管理測試解決方案
目錄
1、背景：
隨著高速發展，世界向著更加綠色的方向發展，電動汽車的快速發展和成長使得電動汽車已經變得非常常見。電動汽車能夠實現低排放甚至是零排放並且相比於汽油的費用從電網進行充電顯然是成本更低的。最重要的是電動汽車可以將我們安全的帶到工作或者生活中的目的地。但是電動汽車的設計對於汽車自動化領域來說是一次思維的轉變——因為汽車所包含的器件增加了很多而給汽車行業帶來新的測試以及驗證挑戰。
汽車行業中大多數混合以及插入式混合電動汽車已經接受了鋰離子電池的使用。這個電池要求設計一個細緻的充電系統來提供安全性保障和更長的使用壽命。
因此，電動汽車最主要的挑戰之一就是池管理系統（ BMS）的效能測試， BMS系統管理電池的狀態，而這些電池儲存著高平的能量就是用來驅動汽車。本文是DMC Engineering以及 Software Services 和 Pickering Interfaces 三家公司合作提出了一個基於PXI模組的BMS測試解決方案， 使用這個方案可以進行電池管理系統的測試，國內可聯絡廣州虹科電子科技有限公司獲取完整的技術方案。
2、一個BMS 的建立和測試
鋰離子電池的生產過程有一個高級別的固有偏差，也就要求有一個更加高階更加健壯的 BMS，BMS 必須實現主動檢測以及主動平衡每個電池單元充電狀態的方式來補償一個模組或者電池堆裡面任何一個 表現不佳的電池單元。
一個電池堆疊的設計會有一個不確定狀態組合，因為整個電池組裡面可能包含了好的和壞的電池單元 並且這些電池也會受到環境條件的巨大影響。這些差異以及使用場景的複雜性就要求對 BMS 通過對模擬 電池的管理來進行 BMS 的開發和效能測試。電池單元的條件也會影響甚至決定用於生產環境的測試型別。
因此 BMS 在混合電動汽車，電動汽車以及插入式電動汽車驅動系統方面是很關鍵的部分。一個典型 的 BMS 可以控制能量儲存系統（ESS）的所有功能，包括電池盒電壓和電流的測試，單個電池單元電壓的測量，單元之間能量的平衡，電池在充電時的狀態以及電池單元的溫度和健康檢測同時還需要確保所有的 電池單元在安全的前提下發揮出最好的效能。
BMS 的模組以及相關的子模組從電池組那裡讀取電壓值以及讀取相關的溫度，電流以及電壓感測器的 結果。籤於上面的目的，BMS 必須處理這些輸入量，並根據這些輸入量做出邏輯判斷來控制電池組的效能 和安全性。同時還需要通過大量的模擬量和數字量以及通訊的輸入輸出來報告輸入的狀態和工作狀態。
對於 BMS 的測試設計有兩個首要的測試方向：
- 精確的模擬必要感測器到 BMS 的輸入量以及電池組輸入到 BMS 的輸入量測試；
- BMS 必須測量，採集並且處理這些數字以及模擬量的輸入輸出。
3、為什麼 BMS 具有挑戰？
需要將一個電池組的 BMS 從電池組本身分割出來進行效能的驗證包含了幾個關鍵的原因。這些原因 中就包括了安全性和使用壽命的考慮。
每個人都曾經聽說過膝上型電腦以及行動電話裡面鋰離子電池爆炸這一類恐怖的訊息。好訊息是鋰離 子電池能夠儲存的能量密度相當於鉛酸化學電池的六倍以及鎳氫電池的三倍。另外，當使用恰當的設計加 上維護妥當的電池組那麼鋰離子電池更有可能擁有更多的充放電週期。但是任何時候當你將更多的能量放 置在更小的空間時，並且使用次數越頻繁，你的安全顧慮很可能也就增加了。
對於電池能量的控制是以提供電流和電壓形式的電源功率檢測為依據的。一個不受控的能量釋放可能 會導致冒煙，起火，爆炸甚至是上面幾種情況的結合。所有鋰離子系統都會使用到電解液，而這個電解液 往往是可燃的並且電解液需要在汽車行駛過程中經受其他熱源的加熱。當你加熱這些電解液材料時，電解 液將會達到它的燃燒點溫度，之後電解液就會自行加熱起火甚至是爆炸。
不可控的能量釋放可以是由嚴重的物理損傷造成的，包括撞擊，車身刺穿或者起火燃燒。這些情形可 以由機械安全保障系統一級合理的物理結構設計來使損傷降到最低。但是，這些不可控能量的釋放同樣可 能由於電池單元的短路所造成反常的高速放電速度，過量的熱量累積，過度充電或者是持續的反覆充電所 造成的。這些因素都會使電池變得脆弱。這些因素可以通過一個正確設計和驗證的 BMS 來有效的防護。
BMS 同樣負責跟蹤一個電池包的精確充電狀態，這對於維護電池的使用壽命來說很重要。電池的可用 壽命會因為簡單的過充電或者過度放電而大幅衰減。因此，BMS 必須包含一個非常精確的充電估計器。
因為你不能直接測量一個電池的充電情況，充電的百分比就必須通過測量其他特性包括電壓，溫度， 電流或者其他 BMS 獨有的屬性來進行計算。驗證 BMS 的充電計算準確度對於電池的效能和使用壽命來說 是非常重要的。
4、電池組模擬
鋰離子電池有一個鋰鐵磷酸陰極和石墨陽極。鋰離子電池的開路電壓一般為 3.2V，充電電壓一般為 3.6V。鋰錳氧化物電池的開路電壓一般為 3.7V，充電電壓一般為 4.2V。
對於汽車方面的典型應用，一個典型的電池堆疊大概需要 100 個電池單元串聯起來才能夠產生超過 350V 的電壓。高電壓允許使用薄的線纜和相比於低電壓系統更低的損耗將能量傳輸到汽車的驅動系統。 但是高電壓需要小心的管理尤其是需要避免對電子系統的損壞。
在一個真實的電池組上面來測試和驗證一個新的 BMS 是不實際的。任何一個錯誤都可能導致對於 BMS 或者電池堆疊的重大損傷，也可能傷害測試操作人員。處於這樣明顯的考慮，BMS 的測試不能重複的在這樣的設定下進行。只有充滿足夠的自信時，BMS 才可以連線到一個真正的電池組上面進行測試。
第二點，一個真實的電池組的故障和特性是不會變化的，也就不能夠用來模擬 BMS 設計用來處理的 各種不同情境。故障注入，尤其是在新產品的開發和推出階段，是作為驗證硬體和韌體設計是否成功的關鍵部分。
5、設計挑戰
DMC 跟 Pickering Interfaces 接觸提出了這樣的一個請求，他們需要的產品可以模擬一個低功率的電池組來驗證 BMS 的設計。這個電池組必須是每個單元的輸出電壓是可程式設計的並且源電流和灌電流都必須是 可以控制的。
Pickering Interfaces 已經有為行動電話設計單電池 PXI 的模擬板卡的經驗。所以就根據客戶的需求， 一個設計可行性的調研也就展開了。為了讓系統緊湊和低成本，就必須在一塊板卡上儘可能多的增加通道 數。最終設計出一款封裝緊湊並且價格也是完全可以被汽車行業所接受的產品。
不是否定 PXI，但是 PXI 並不是最好的設計高密度，多單元的電池模擬器的選擇。但是所有其他 PXI 模組的可行性也促使這樣的測試是可以在 PXI 的平臺上實現的，最終也決定使用 PXI 的解決方案。
很清楚的是，最終的產品必須是可靠的，緊湊的以及使用起來很安全的。一個典型的 PXI 機箱可以支 持 17 個外設槽位，所以設計的緊湊性就要求每個單槽寬度的模組可以模擬一個電池組的六個小單元，需要 17 個這樣的模組安放在一個機箱裡面實現超過 100 個單元的電池組。這樣的密度就給每個電池單元的 設計增加了空間方面的限制。並且客戶的這個需求是很急用的，所以可以肯定的是模組上使用到的元器件 必須是現成的。
每個電池單元必須提供最大 300mA 的電流並且產生的電壓需要超過 4.2V。這對於機箱背板的設計是 極大的一個挑戰，機箱需要為每個槽位以及整個系統提供足夠的功率。對於電池模擬的快速響應也是需要 的。
PXI 背板可以在 5V 的電壓下給每個模組最大提供 6A 的電流，5V 的電壓也是目前大多數 PXI 背板所 提供的電壓。但是，從 5V 轉換出來的電壓顯然會面對最糟糕的負載條件，但是顯然模組上的每個電池單 元在空間上面也受到限制，這就反過來限制了可以用來冷卻穩壓晶片的空間。針對這一問題選擇了一款專 門為汽車行業設計的穩壓器，這樣的穩壓器可以忍受高的溫度並且自帶過熱保護，並且可以使用 PCB 的覆 銅來散熱。PXI 機箱內部的高效散熱系統可以確保 PCB 上面的覆銅可以得到很好的散熱。PXI 很適用於這 樣的應用尤其是當有源器件被放置在 PXI 模組的下部時。
源電流或者灌電流也需要安全性和絕緣性的設計，但不是兩者都需要這些方面的設計。電池模擬器來 說是兩個都需要的，但是灌電流的要求可以比源電流的要求低。
對於這個問題是通過在設計中整合一個可程式設計電流負載來實現的，這個可程式設計的電流負載可以為功率 提供預載入。當 BMS 正在被充電時，電流負載可以確保電源仍然在吸收電流。
所有的這些挑戰以及相應的解決方案都進行過評估，之後就由 Pickering Interfaces 將提議將這些解決 方案放在一起設計一個新的 6 通道的電池模擬器。在關於設計的修正上的意見交換之後以及澄清確認期望 的效能之後，客戶就下了訂單來生成這樣一個完整的電池組模擬器（圖 2）。
6、測試系統中的設計和部署
第一個需要構建的模組是 41-752.設計的挑戰不侷限於 41-752 的硬體。為了測試和使用 41-752 就需 要一個軟體支援團隊與硬體設計團隊配合工作。首先，軟體團隊必須開發軟體來測試模組的硬體。接著， 他們必須設計軟體，包括手動操作前面板，這個前面板就可以實現控制每個模組的每個單元。
一旦這個模組表現出擁有滿意的效能，剩餘的模組就會被運送給 DMC。DMC 在將模組運送到最終用 戶那邊之前會把它們整合到 DMC 自己的測試系統中。在成功的嘗試以及一些設計方面的微小改動，客戶 最終接受了這個模組。
儘管對於這樣的應用使用 PXI 作為平臺會產生一系列困難的挑戰，使用 PXI 平臺一定程度上可以實現 設計的靈活性和速度，並最終證明快速設計的可行性。後面板的電源，PCI 的控制匯流排，機箱的通風系統 以及基於 PC 設計的軟體允許這個設計進行高速的處理。
就 41-752 來說，從提交訂單到首個產品的運送花費了 8 周的時間。
41-752，現在是作為貨架產品可選的了，41-752 提供六個通道的電池模擬器最大可以達到 7V 的電壓 和 300mA 的電流。高電壓的隔離珊，最大可以達到 750V 的隔離電壓，這樣高的隔離電壓就允許很多的電 池單元可以使用 D 型聯結器串接起來實現更大的電壓。
一個靈活安全的互鎖機智允許模組之間的級聯並且本質上也是安全的。Pickering 的 40-923 機箱提供 功率以及需要的電流來滿足模擬一個大約 100 個電池單元的電池組模擬。
7、使用 PXI 的其他測試
除了電池模擬器，PXI 模組同樣支援溫度感測器，模擬和數字 IO 以及電池組開關高電壓和 BMS 和電 池組之間 CAN 通訊的模擬。這個系統包含兩個 PXI 機箱和一些額外的電路系統。整個系統是一個緊湊的 單元並且可以放置在 1.5 米高的機架裡面。
8、結論
在未來的時間裡，我們將會在路上看到越來越多的電動汽車，它們要麼是混合動力的要麼就是全電動 的。為了保證長的電池壽命以及保護系統免受傷害，一個 BMS 將會是一個非常的智慧的部件。BMS 將會 進行嚴格的測試以確保客戶的需求可以得到滿足。出於結構緊湊，成本以及靈活性的考慮，PXI 平臺的測 試系統可以幫助實現這些挑戰。
9、電池管理系統測試？
廣州虹科電子科技有限公司有所有你需要的硬體，隨著越來越多的混合/插入式電動汽車的引入，對於 BMS 的測試正在變成汽車生產過程中的一個重要部分。模擬比如過充電，短路或者是故障電池單元的能力在測試整個系統的響應時是驗證一個 BMS 是否安全的關鍵因素。這就是為什麼引入 41-752系列板卡，它是唯一的一個 PXI 形式的多通道電池模擬器。除此之外，虹科還可以有 1KV 的開關解決方案，高精度程控電阻，可以用於感測器模擬。
你所需要的每一樣建立BMS 測試系統的板卡廣州虹科電子都有相應的解決方案，如需進一步溝通，請隨時聯絡李小姐[email protected]。
